Etkin sayfalar ön belleği

Etkin sayfalar önbelleği (ESÖ) (Translation Lookaside Buffer (TLB)) sanal bellek kullanan işlemcilerde adres dönüştürme işleminin hızlandırılmasını sağlayan bir tekniktir.

Programın belleğe ulaşması önce fiziksel adrese ve daha sonra veriye ulaşmasıyla mümkündür. Bu yüzden başarımın arttırılmasında alanda yerellik özelliğinden yararlanılır. Sanal bir sayfanın adresi dönüştürüldüğünde sayfadaki öbeklere ulaşımın tekrarı ve dolayısıyla o dönüşümün yakın bir zamanda tekrar kullanılma ihtimali yüksektir. Günümüz makineleri yakın zamanda kullanılan sayfa tablosu satırlarını tutan ve adres dönüşümlerinin izini süren bir önbelleğe sahiptir. Bu özel yapıya Etkin sayfalar önbelleği (ESÖ) adı verilir.

Etkin sayfalar önbelleği sadece sayfa tablosu eşleştirmelerini tutan bir önbellektir. Sayfa bulma olayı gerçekleştiğinde gerçek adres numarası adresin yapılandırılması için kullanılır ve karşılık gelen bit mantıksal bire işaret eder. Eğer ESÖ'de bir sayfa bulamama olayı gerçekleşirse bunun nedeninin bir sayfa hatası mı yoksa sadece ESÖ'den kaynaklanan bir sayfa bulamama (miss) mı olduğuna karar verilmelidir. Eğer sayfa bellekte mevcut ise sorunun ESÖ'de bir dönüştürme hatasından ve eksikliğinden kaynaklandığı anlaşılır. Bu durumda işlemci sayfa tablosundaki adres dönüşümlerini Etkin sayfalar önbelleğine baştan yükleyerek, başvuruyu (reference) tekrar eder. ESÖ sayfa bulamama durumu donanımla veya yazılım kullanılarak halledilebilir. Eğer sayfa bellekte mevcut değil ise gerçek bir sayfa hatası söz konusudur. Bu durumda işlemci, işletim sistemini kural dışı durum ile uyarır.

Etkin sayfalar önbelleği, diğer sıradan önbellekler gibi tam ilişkili, kümeli ilişkili ya da doğrudan eşlemeli olarak tasarlanabilir.
Etkin sayfalar önbellekleri çoğunlukla küçüktür, satır sayısı çok hızlı bilgisayarlarda bile 128-256'yı geçmediğinden bu önbelleklerde karmaşık olan tam ilişkili aramanın masrafı fazla değildir. Çoğu orta düzey işlemcide küçük n yollu kümeli ilişkili düzen kullanılır. ESÖ kullanan bilgisayarlar önbellek erişimi için gereken çevrim sayısını azaltmak için önbellek erişimini ESÖ erişimi ile koşut olarak (aynı anda, eşzamanlı) yapar. Bu yöntem ile sanal adreslerin sayfa numaraları ESÖ'de arama işlemi için kullanılırken sayfa eklemesi kısmı önbellek erişiminde dizin olarak görev yapar.

Eşzamanlı ESÖ ve önbellek erişiminin sorunları
Eşzamanlı erişim ancak önbelleğe dizin olarak gönderilen bitler sanal adres dönüştürmesi sırasında değişmezse işe yarar. Bu durum küçük önbellekler, büyük sayfa boyutları ya da yüksek n yollu kümeli ilişkili önbellekler kullanma gereksinimini doğurur.

Sanal bellek, etkin sayfalar önbelleği (ESÖ) ve önbellek
En iyi koşullarda bir sanal adres ESÖ tarafından dönüştürülerek önbelleğe yollanır ve ilgili veri bulunur, getirilir ve daha sonra işlemciye geri gönderilir. En kötü durumda ise başvuru (reference) sıradüzendeki bu üç yapıda da; yani ESÖ, sayfa tablosu ve önbellekte bulunamaz.

MIPS R2000 Etkin Sayfalar Önbelleği (ESÖ) (Translation Lookaside Buffer (TLB))
DECStation 3100'de kullanılan MIPS R2000 her ne kadar basit bir uygulamaya sahip olsa da özyapısı günümüz Etkin sayfalar belleklerininkine çok benzerdir. Bellek sistemi
4-KB sayfalar ve 32-bitlik adres uzayına sahiptir. Dolayısıyla, sanal sayfa numaraları 20 bit uzunluktadır. Sanal adres ile gerçek adres aynı boyutlara sahiptir. Etkin sayfalar önbelleği (ESÖ) 64 kayıt tutabilir ve tam eşlemelidir. ESÖ buyruk ve veri başvuruları tarafından paylaşılır. Her kayıt 64 bit genişliğindedir ve 20 bitlik etikete sahiptir ki bu etiket kaydın ESÖ'de tutulan sanal sayfa numarasıdır. Sanal sayfa numarasına karşılık gelen gerçek sayfa numarası da 20 bit uzunluğundadır ve geçerli bit, kirli bit gibi sayman bitlerine yer verir.

Bir ESÖ sayma bulamama durumu meydana geldiğinde, MIPS donanımı başvurunun sayfa numarasını özel bir yazmaca kaydeder ve kural dışı durum üretir. Kural dışı durum işletim sistemini uyararak sorunun yazılım katmanında halledilmesini sağlar. Bulunamayan sayfanın gerçek adresini bulmak için ESÖ sayfa tablosunu sanal adres numarası ve yürürlükte olan sayfa tablosunun başlangıç adresini tutan yazmaç yardımıyla dizinler. Bir takım buyruk kümesi ile etkin sayfalar önbelleği güncellenir. İşletim sistemi sayfa tablosundaki eşlenen gerçek adresleri etkin sayfalar önbelleğine yerleştirir. Eğer geçersiz bir gerçek adresle karşılaşılmışsa hata oluşur. Bir ESÖ'de sayfa bulamama durumu en az 10, ortalama olarak da 16 çevrimlik bir gecikmeye neden olur. Donanım değiştirilmek sayfa için bir önerme dizini tutar ve bu dizinden rastgele bir kayıt seçilir.

ESÖ'de koruma (protection) sağlanması için yazma erişiminin denetimini sağlayan bir bit mevcuttur. Bu özellik, salt okunur sayfaların üzerine yazmayı engeller böyle bir istekle karşılaşıldığında da bir hata üretir.

Kaynakça
Ayrıca bakınız
Sanal bellek

Dış bağlantılar
Oğuz ERGİN BİL 361 – Bilgisayar Mimarisi ve Organizasyonu, Sanal Bellek
John L. Hennessy, David A. Patterson, Computer Architecture, A Quantitative Approach (ISBN 1-55860-724-2)
Operational Characteristics for the Processors for Burroughs
The Multics Virtual Memory: Concepts and Design
howstuffworks: virtual memory
www.cs.gmu.edu/cne :virual memory
courses.cs.vt.edu : virtual memory tutorial
belgeler.org: sanal bellek